Tài liệu Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục để cô đặc dung dịch đường mía năng suất sản phẩm 1200 kgh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Đề tài: “ Thiết kế thiết bị cô đặc chân không một nồi liên tục để cô đặc dung dịch đường mía năng suất sản phẩm 1200 kg/h” ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ GVHD: TIỀN TIẾN NAM SVTH: VÕ PHONG LỚP: 03DHHH2 MSSV: 2004120133 TP.HCM, THÁNG 6/2015 0 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU:..............................................................................................................4 Chương 1: TỔNG QUAN..............................................................................................5 1.1. Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường......................................................5 1.2. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc mía đường..........................6 1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu...........................................................................6 1.2.2. Đặc điểm sản phẩm..............................................................................6 1.2.3. Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm trong quá trình cô đặc.........6 1.2.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa..............................7 1.3. Cô đặc và quá trình cô đặc..............................................................................7 1.3.1. Định nghĩa............................................................................................7 1.3.2. Các phương pháp cô đặc.....................................................................7 1.3.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt..........................................................7 1.3.4. Ứng dụng của sự cô đặc.......................................................................7 1.4. Các thiết bị cô đặc nhiệt..................................................................................8 1.4.1. Phân loại và ứng dụng.........................................................................8 1.4.2. Hệ thống cô đặc chân không liên tục..................................................9 1.4.3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc.....................................................9 1.4.4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng................................................9 Chương 2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ.......................................11 2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục.........................11 2.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm...........11 Chương 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG.......................................12 3.1. Dữ kiện ban đầu...........................................................................................12 3.2. Cân bằng vật chất.........................................................................................12 3.3. Cân bằng năng lượng...................................................................................12 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.3.5. Chế độ nhiệt độ..................................................................................12 Các tổn thất nhiệt độ..........................................................................13 Cân bằng nhiệt lượng.........................................................................15 Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc.........................................................18 Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng .............................................................18 Chương 4. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC..................19 4.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng (q1)............................................................19 4.2. Nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2)............................................................19 4.3. Nhiệt tải riêng phía tường ( qv)..................................................................21 1 4.4. Tiến trình tính nhiệt tải riêng ....................................................................21 4.5. Hệ số truyền nhiệt K cho quá trình cô đặc................................................22 4.6. Diện tích bề mặt truyền nhiệt ....................................................................23 Chương 5. TÍNH THIẾT BỊ CÔ ĐẶC .......................................................................24 5.1. Tính buồng đốt ...........................................................................................24 5.1.1. 5.1.2. 5.1.3. 5.1.4. 5.1.5. 5.2. Tính buồng bốc............................................................................................26 5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. 5.3. Thể tích dung dịch đầu trong thiết bị...............................................24 Thể tích dung dịch cuối......................................................................24 Tính chọn đường kính buồng đốt ......................................................24 Tính kích thước đáy nón của buồng đốt ...........................................26 Tổng kết..............................................................................................26 Đường kính buồng bốc........................................................................26 Chiều cao buồng bốc .........................................................................27 Tính kích thước nắp elip có gờ của buồng bốc ................................28 Tính kích thước các ống dẫn liệu, tháo liệu...............................................28 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 5.3.4. 5.3.5. 5.3.6. 5.3.7. Ống nhập liệu.....................................................................................29 Ống tháo liệu.......................................................................................29 Ống dẫn hơi đốt..................................................................................29 Ống dẫn hơi thứ..................................................................................29 Ống dẫn nước ngưng..........................................................................29 Ống xả khí không ngưng....................................................................30 Tổng kết về đường kính ống...............................................................30 Chương 6: TÍNH CƠ KHÍ CHO CÁC CHI TIẾT THIẾT BỊ............................................31 6.1. Tính cho buồng đốt ....................................................................................31 6.1.1. 6.1.2. 6.1.3. 6.2. Tính cho buồng bốc.....................................................................................33 6.2.1. 6.2.2. 6.3. Sơ lược cấu tạo....................................................................................33 Tính toán.............................................................................................33 Tính cho đáy thiết bị ..................................................................................36 6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.4. Sơ lược về cấu tạo ...............................................................................31 Tính toán ............................................................................................31 Tính bền cho các lỗ.............................................................................32 Sơ lược về cấu tạo................................................................................36 Tính toán.............................................................................................36 Tính bền cho các lỗ.............................................................................40 Tính nắp thiết bị .........................................................................................40 2 6.4.1. 6.4.2. 6.4.3. 6.5. Tính mặt bích...............................................................................................42 6.5.1. 6.5.2. 6.6. Sơ lược về cấu tạo................................................................................42 Chọn mặt bích.....................................................................................43 Tính vỉ ống ..................................................................................................44 6.6.1. 6.6.2. 6.7. Sơ lược cấu tạo....................................................................................40 Tính toán.............................................................................................41 Tính bền cho các lỗ.............................................................................42 Sơ lược cấu tạo....................................................................................44 Tính toán.............................................................................................45 Tính tai treo chân đỡ ..................................................................................46 6.7.1. 6.7.2. 6.7.3. 6.7.4. Sơ lược cấu tạo tai treo chân đỡ.........................................................46 Thể tích các bộ phận thiết bị..............................................................46 Khối lượng các bộ phận thiết bị ........................................................49 Tổng khối lượng .................................................................................50 Chương 7: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ..................................................................51 7.1. Tính thiết bị ngưng tụ baromet..................................................................51 7.1.1. 7.1.2. 7.1.3. 7.2. Lượng nước lạnh tưới vào thiết bị....................................................51 Thể tích không khí và khí không ngưng cần hút ra khỏi thiết bị...51 Các kích thước chủ yếu của thiết bị ngưng tụ baromet....................52 Tính toán và chọn bơm.............................................................................54 7.2.1. 7.2.2. Bơm chân không.................................................................................54 Chọn bơm chân không ......................................................................55 LỜI KẾT LUẬN .........................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................57 3 LỜI NÓI ĐẦU Trong kế hoạch đào tạo đối với sinh viên năm thứ ba, môn học Đồ án Quá trình thiết bị là cơ hội tốt để hệ thống kiến thức về các quá trình và thiết bị của công nghệ thực phẩm và hóa học. Bên cạnh đó, môn học này còn là dịp để sinh viên tiếp cận thực tế thông qua việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các chi tiết của một thiết bị với các số liệu cụ thể, thông dụng. “Thiết kế thiết bị cô đặc nước mía một nồi liên tục, năng suất sản phẩm 1200 kg/h” là đồ án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Tiền Tiến Nam, bộ môn Quá trình thiết bị, trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP. Hồ Chí Minh. Đồ án này đề cập đến các vấn đề liên quan đến các kiến thức cơ bản về ngành mía đường cũng như quá trình cô đặc, quy trình công nghệ, tính toán cân bằng vật chất, năng lượng, sự truyền nhiệt cho thiết bị cô đặc, tính chi tiết cho thiết bị chính và những thiết bị phụ cần thiết theo yêu cầu. Trong quá trình thưc hiện đề tài này, em hiểu được: việc thiết kế hệ thống thiết bị phục vụ cho nhiệm vụ kỹ thuật là một yêu cầu không thể thiếu đối với một kỹ sư công nghệ thực phẩm. Do đó để trở thành một người kỹ sư thực thụ, cần phải nắm vững các kiến thức về môn học Quá trình thiết bị trong Công nghệ Hóa- Thực phẩm. Ngoài ra, việc giải các bài toán công nghệ, hay thực hiện công tác thiết kế máy móc, thiết bị và dây chuyền công nghệ cũng rất cần thiết đối với một kỹ sư trong tương lai. Em xin chân thành cảm ơn thầy Tiền Tiến Nam cũng như các thầy cô của bộ môn Quá trình thiết bị và những người bạn đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em trong quá trình thiết kế. Đây cũng là bước đầu tiên để thực hiện một công việc hết sức mới mẻ nên có thể có rất nhiều sai sót. Nhưng sự xem xét và đánh giá khách quan của thầy sẽ là nguồn động viên và khích lệ đối với em, để những lần thiết kế sau được thực hiện tốt đẹp hơn, hoàn thiện hơn. Xin chân thành cám ơn! 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Đôi nét về ngành công nghiệp mía đường. Ngành công nghiệp mía đường là một ngành công nghiệp lâu đời ở nước ta. Do nhu cầu thị trường nước ta hiện nay mà các lò đường quy mô nhỏ ở nhiều địa phương đã được thiết lập nhằm đáp nhu cầu này. Tuy nhiên, đó chỉ là các hoạt động sản xuất một cách đơn lẻ, năng suất thấp, các ngành công nghiệp có liên quan không gắn kết với nhau đã gây khó khăn cho việc phát triển công nghiệp đường mía. Trong những năm qua, ở một số tỉnh thành của nước ta, ngành công nghiệp mía đường đã có bước nhảy vọt rất lớn. Diện tích mía đã tăng lên một cách nhanh chóng, mía đường hiện nay không phải là một ngành đơn lẻ mà đã trở thành một hệ thống liên hiệp các ngành có quan hệ chặt chẽ với nhau. Mía đường vừa tạo ra sản phẩm đường làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như bánh, kẹo, sữa…đồng thời tạo ra phế liệu là nguyên liệu quý với giá rẻ cho các ngành sản xuất như rượu… Trong tương lai, khả năng này còn có thể phát triển hơn nữa nếu có sự quan tâm đầu tư tốt cho cây mía cùng với nâng cao khả năng chế biến và tiêu thụ sản phẩm. Xuất phát từ tính tự nhiên của cây mía, độ đường sẽ giảm nhiều và nhanh chóng nếu thu hoạch trễ và không chế biến kịp thời. Vì tính quan trọng đó của việc chế biến, vấn đề quan trọng được đặt ra là hiệu quả sản xuất nhằm đảm bảo thu hồi đường với hiệu suất cao. Hiện nay, nước ta đã có rất nhiều nhà máy đường như Bình Dương, Quãng Ngãi, Biên Hòa, Tây Ninh…nhưng với sự phát triển ồ ạt của diện tích mía, khả năng đáp ứng là rất khó. Bên cạnh đó, việc cung cấp mía khó khăn, sự cạnh tranh của các nhà máy đường, cộng với công nghệ lạc hậu, thiết bị cũ kỹ đã ảnh hưởng mạnh đến quá trình sản xuất. Vì tất cả những lý do trên, việc cải tiến sản xuất, nâng cao, mở rộng nhà máy, đổi mới dây chuyền thiết bị công nghệ, tăng hiệu quả các quá trình là hết sức cần thiết và cấp bách, đòi hỏi phải chuẩn bị từ ngay bây giờ. Trong đó, cải tiến thiết bị cô đặc là một yếu tố quan trọng không kém trong hệ thống sản xuất vì đây là một thành phần không thể xem thường. Bảng 1.1. Số liệu về sản lượng đường trên thế giới ( đơn vị: nghìn tấn) Năm 19451946 19521953 19651966 19771978 19781979 19791980 19801981 19811982 Sản lượng 19934 35486 63097 92280 91858 88920 91000 97900 5 1.2. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình cô đặc mía đường 1.2.1. Đặc điểm nguyên liệu Nguyên liệu cô đặc ở dạng dung dịch, gồm: - Dung môi : nước - Các chất hòa tan: gồm nhiều cấu tử với hàm lượng rất thấp (xem như không có) và chiếm chủ yếu là đường saccaroze. Các cấu tử này xem như không bay hơi trong quá trình cô đặc. Tùy theo độ đường mà hàm lượng đường nhiều hay ít. Nồng độ đường trước khi cô đặc khoảng từ 15-20% khối lượng. 1.2.2. Đặc điểm sản phẩm Sản phẩm ở dạng dung dịch, gồm: - Dung môi: nước - Các chất hòa tan: có nồng độ cao hơn ban đầu. 1.2.3. Biến đổi của nguyên liệu và sản phẩm Trong quá trình cô đặc, tính chất cơ bản của nguyên liệu và sản phẩm biến đổi không ngừng. Biến đổi tính chất vật lý Thời gian cô đặc tang làm cho nồng độ dung dịch tang dẫn đến tính chất dung dịch thay đổi: - Các đại lượng giảm: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung, hệ số cấp nhiêt, hệ số truyền nhiệt. - Các đại lượng tăng: khối lượng riêng dung dịch, độ nhớt, tổn thất nhiệt do nồng độ, nhiệt độ sôi. Biến đổi tính chất hóa học - Thay đổi pH môi trường: thường là giảm pH do các phản ứng phân hủy amit (Vd: asparagin) của các cấu tử tạo thành các acid. 2+ Đóng cặn bẩn: do trong dung dịch chứa một số muối Ca ít hòa tan ở nồng độ cao, phân hủy muối hữu cơ tạo kết tủa. Phân hủy chất cô đặc. Tăng màu do caramen hóa đường, phân hủy đường khử, tác dụng tương hỗ giữa các sản phẩm phân hủy và các amino acid. Biến đổi sinh học - Tiêu diệt vi sinh vật (ở nhiệt độ cao). Hạn chế khả năng hoạt động của các vi sinh vật ở nồng độ cao. 1.2.4. Yêu cầu chất lượng sản phẩm và giá trị sinh hóa 6 - Đảm bảo các cấu tử quý trong sản phẩm có mùi, vị đặc trưng được giữ nguyên. Đạt nồng độ và độ tinh khiết theo yêu cầu. Thành phần hóa học chủ yếu không thay đổi. - 1.3. Cô đặc và quá trình cô đặc. 1.3.1. Định nghĩa Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch hai hay nhiều cấu tử, bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ. 1.3.2. Các phương pháp cô đặc Phương pháp nhiệt (đun nóng): dung môi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi dưới tác dụng của nhiệt khi áp suất riêng phần của nó bằng áp suất tác dụng lên mặt thoáng chất lỏng. Phương pháp lạnh: khi hạ thấp nhiệt độ đến một mức nào đó thì một cấu tử sẽ tách ra dạng tinh thể đơn chất tinh khiết, thường là kết tinh dung môi để tăng nồng độ chất tan. Tùy vào tính chất của cấu tử và áp suất bên ngoài tác dụng lên mặt thoáng mà quá trình kết tinh xảy ra ở nhiệt độ cao hay thấp và đôi khi phải dùng đến máy lạnh. 1.3.3. Bản chất của sự cô đặc do nhiệt Dựa theo thuyết động học phân tử: Để tạo thành hơi (trạng thái tự do) thì tốc độ chuyển động vì nhiệt của các phân tử chất lỏng gần mặt thoáng lớn hơn tốc độ giới hạn. Phân tử khi bay hơi sẽ thu nhiệt để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực bên ngoài. Do đó, ta cần cung cấp nhiệt để các phần tử đủ năng lượng thực hiện quá trình này. Bên cạnh đó, sự bay hơi chủ yếu là do các bọt khí hình thành trong quá trình cấp nhiệt và chuyển động liên tục, do chênh lệch khối lượng riêng các phần tử ở trên bề mặt và dưới đáy tạo nên sự tuần hoàn tự nhiên trong nồi cô đặc. Tách không khí và lắng keo khi đun sơ bộ sẽ ngăn được sự tạo bọt khi cô đặc. 1.3.4. Ứng dụng của sự cô đặc Dùng trong sản xuất thực phẩm: dung dịch đường, mì chính, các dung dịch nước trái cây… Dùng trong sản xuất hóa chất: NaOH, NaCl, CaCl2, các muối vô cơ… 1.3.5. Đánh giá khả năng phát triển của sự cô đặc 7 Hiện nay, phần lớn các nhà máy sản xuất hóa chất, thực phẩm đều sử dụng thiết bị cô đặc như một thiết bị hữu hiệu để đạt nồng độ sản phẩm mong muốn. mặc dù chỉ là một hoạt động gián tiếp nhưng rất cần thiết và gắn liền với sự tồn tại của nhà máy. Cùng với sự phát triển của nhà máy thì việc cải thiện hiệu quả của thiết bị cô đặc là một tất yếu. nó đòi hỏi phải có những thiết bị hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu suất cao. Đưa đến yêu cầu người kỹ sư phải có kiến thức chắc chắn hơn và đa dạng hơn, chủ động khám phá các nguyên lý mới của thiết bị cô đặc. 1.4. Các thiết bị cô đặc nhiệt 1.4.1. Phân loại và ứng dụng Theo cấu tạo: Nhóm 1: dung dịch đối lưu tự nhiên (tuần hoàn tự nhiên) dùng cô đặc dung dịch khá loãng, độ nhớt thấp, đảm bảo sự tuần hoàn dễ dàng qua bề mặt truyền nhiệt. Gồm: - Có buồng đốt trong (đồng trục buồng bốc), có thể có ống tuần hoàn trong hoặc ngoài. Có buồng đốt ngoài (không đồng trục buồng bốc). Nhóm 2: dung dịch đối lưu cưỡng bức, dùng bơm để tạo vận tốc dung dịch từ 1,5 – 3,5 m/s tại bề mặt truyền nhiệt. Có ưu điểm: tăng cường hệ số truyền nhiệt, dùng cho dung dịch đặc sệt, độ nhớt cao, giảm bám cặn, kết tinh trên bề mặt truyền nhiệt. Gồm: - Có buồng đốt trong, ống tuần hoàn ngoài. - Có buồng đốt ngoài, ống tuần hoàn ngoài. Nhóm 3: dung dịch chảy thành màng mỏng, chảy một lần tránh tiếp xúc nhiệt lâu làm biến chất sản phẩm như dung dịch nước trái cây , hoa ép…Gồm: Màng dung dịch chảy ngược, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi tạo bọt khí khó vỡ. Màng dung dịch chảy xuôi, có buồng đốt trong hay ngoài: dung dịch sôi ít tạo bọt và bọt dễ vỡ. Theo phương pháp thực hiện quá trình: Cô đặc áp suất thường (thiết bị hở): có nhiệt độ sôi, áp suất không đổi. Thường dùng cô đặc dung dịch liên tục để giữ mức dung dịch cố định để tăng năng suất cực đại và thời gian cô đặc là ngắn nhất. Tuy nhiên nồng độ dung dịch đạt là không cao. Cô đặc áp suất chân không: dung dịch có nhiệt độ sôi dưới 1000C. Dung dịch tuần hoàn tốt, ít tạo cặn, sự bay hơi nước liên tục. Cô đặc áp suất dư: dùng cho các dung dịch không phân hủy ở nhiệt độ cao, sử dụng hơi thứ cho các quá trình khác. 8 Cô đặc gián đoạn: dung dịch cho vào thiết bị một lần rồi cô đặc đến nồng độ yêu cầu, hoặc cho vào liên tục trong quá trình bốc hơi để giữ mức dung dịch không đổi đến khi nồng độ dung dịch trong thiết bị đã đạt yêu cầu sẽ lấy ra một lần sau đó lại cho dung dịch mới để tiếp tục cô đặc. Cô đặc nhiều nồi: mục đích chính là tiết kiệm hơi đốt. Số nồi không nên lớn quá vì sẽ làm giảm hiệu quả tiết kiệm hơi.Có thể cô đặc chân không, cô đặc áp lực hay phối hợp cả hai phương pháp. Đặc biệt có thể sử dụng hơi thứ cho mục đích khác để nâng cao hiệu quả kinh tế. Cô đặc liên tục: cho kết quả tốt hơn cô đặc gián đoạn. Có thể áp dụng điều khiển tự động, nhưng chưa có cảm biến tin cậy. 1.4.2. Hệ thống cô đặc chân không liên tục Mục đích: để giữ được chất lượng của sản phẩm và thành phần quý (tính chất tự nhiên, màu, mùi, vị, đảm bảo lượng vitamin,…) nhờ nhiệt độ thấp và không tiếp xúc oxy. Ưu điểm: Nhập liệu đơn giản: nhập liệu liên tục bằng bơm hoặc bằng độ chân không trong thiết bị. - Tránh phân hủy sản phẩm, thao tác, khống chế dễ dàng. Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa, làm sạch. Nhược điểm: - Năng suất thấp và tốc độ tuần hoàn nhỏ vì ống tuần hoàn cũng bị đốt nóng. - Nhiệt độ hơi thứ thấp, không dung được cho mục đích khác. - Hệ thống phức tạp, có thiết bị ngưng tụ chân không. 1.4.3. Các thiết bị và chi tiết trong cô đặc Thiết bị chính Ống tuần hoàn, ống truyền nhiệt. Buồng đốt, buồng bốc, đáy, nắp…  Thiết bị phụ - Bể chứa sản phẩm, nguyên liệu. - Các loại bơm: bơm dung dịch, bơm nước, bơm chân không. - Thiết bị gia nhiệt. - Thiết bị ngưng tụ Baromet. Các loại van. - Thiết bị đo.  - 1.4.4. Yêu cầu thiết bị và vấn đề năng lượng - Sản phẩm có thời gian lưu nhỏ: giảm tổn thất, tránh phân hủy sản phẩm. Cường độ truyền nhiệt cao trong giới hạn chênh lệch nhiệt độ. Đơn giản, dễ sửa chữa, tháo lắp, dễ làm sạch bề mặt truyền nhiệt. Phân bố hơi đều. Xả liên tục và ổn định nước ngưng tụ và khí không ngưng. Thu hồi bọt do hơi thứ mang theo. Tổn thất năng lượng là nhỏ nhất. Thao tác, khống chế, tự động hóa dễ dàng. 9 CHƯƠNG 2. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cô đặc một nồi liên tục Dung dịch từ bể chứa nguyên liệu được bơm lên bồn cao vị để ổn áp. Từ bồn cao vị, dung dịch định lượng bằng lưu lượng kế đi vào thiết bị gia nhiệt sơ bộ và được đun nóng đến nhiệt độ sôi. 10 Thiết bị gia nhiệt sơ bộ là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm: thân hình trụ, đặt thẳng đứng, bên trong gồm nhiều ống nhỏ. Các đầu ống được giữ chặt trên vi ống và vỉ ống được hàn dính vào thân. Dung dịch đi từ dưới lên ở bên trong ống. Hơi nước bão hòa ngưng tụ trên bề mặt ngoài của ống và cấp nhiệt cho dung dịch để nâng nhiệt độ của dung dịch lên nhiệt độ sôi. Dung dịch sau khi gia nhiệt sẽ chảy vào thiết bị cô đặc để thực hiện quá trình bốc hơi. Trong nồi cô đặc, dung dịch được đun sôi, bốc hơi cô đặc trong chân không. Hơi thứ bốc lên theo ống dẫn vào thiết bị ngưng tụ Baromet, ngưng tụ thành lỏng chảy ra ngoài bồn chứa, phần không ngưng qua bộ phận tách giọt để chỉ còn khí theo bơm chân không ra ngoài. Sản phẩm đặc được bơm đưa đến bồn chứa sản phẩm. 2.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cô đặc ống tuần hoàn trung tâm Phần dưới của thiết bị là buồng đốt, gồm có các các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm. Dung dịch đi trong ống còn hơi đốt (hơi nước bão hòa) đi trong khoảng không gian ngoài ống. Phía trên buồng đốt là phòng tách hơi thứ khỏi hỗn hợp hơi- lỏng còn gọi là buồng bốc. Trong buồng bốc có bộ phận tách những giọt lỏng do hơi thứ mang theo. Dung dịch được đưa vào đáy buồng bốc rồi chảy vào trong các ống truyền nhiệt và ống tuần hoàn trung tâm, hơi đốt được đưa vào buồng đốt. Dung dịch được đun sôi, tạo thành hỗn hợp lỏng và hơi trong ống truyền nhiệt, khối lượng riêng của dung dịch giảm và chuyển động từ dưới lên trên miệng ống. Trong ống tuần hoàn, thể tích dung dịch theo một đơn vị bề mặt truyền nhiệt lớn hơn so với ống truyền nhiệt do đó lượng hơi tạo ra ít hơn. Vì vậy khối lượng riêng của hỗn hợp hơi lỏng ở đây lớn hơn ống truyền nhiệt. Do đó, chất lỏng sẽ di chuyển từ trên xuống dưới rồi đi vào trong ống truyền nhiệt lên trên và trở lại ống tuần hoàn tạo nên dòng tuần hoàn tự nhiên. Tại mặt thoáng của dung dịch ở buồng bốc, hơi thứ tách ra khỏi dung dịch bay lên qua bộ phận tách giọt. Bộ phận tách giọt có tác dụng giữ lại những giọt chất lỏng do hơi thứ cuốn theo và chảy trở về đáy buồng bốc, còn dung dịch có nồng độ tăng dần tới nồng độ yêu cầu được lấy một phần ở đáy thiết bị làm sản phẩm, đồng thời liên tục bổ sung thêm một lượng dung dịch thiết bị. CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1. Dữ kiện ban đầu - Dung dịch đường mía. Nồng độ nhập liệu xđ =15% (khối lượng). Nồng độ sản phẩm xc =24% (khối lượng). Năng suất sản phẩm Gc = 1200 kg/h. Áp suất chân không tại thiết bị ngưng tụ Pck = 0,75at. 11  Áp suất tuyệt đối Pc = Pa - Pck = 1- 0,75= 0,25at. Nguồn nhiệt là hơi nước bão hòa. Áp suất tuyệt đối của hơi nước bão hòa là 3at. Chọn nhiệt độ đầu của nguyên liệu tđ = 300C. - 3.2. Cân bằng vật chất  Suất lượng nhập liệu (Gđ) Theo định luật bảo toàn chất khô, ta có: Gđ.xđ =Gc.xc Gđ  G c . x c 1200.24  1920 xđ 15 (kg/h)  Tổng lượng hơi thứ bốc lên (W) Theo định luật bảo toàn khối lượng, ta có: Gđ = Gc +W W = Gđ - Gc = 1920 -1200 =720 (kg/h) 3.3. Cân bằng năng lượng 3.3.1. Chế độ nhiệt độ - Áp suất buồng đốt là áp suất hơi bão hòa 3at. Tra bảng I.251, trang 315, [1], ta có nhiệt độ hơi đốt là 132,9 0C. Tính áp suất hơi thứ trong buồng bốc: Gọi ∆ ''' là tổn thất nhiệt độ hơi thứ trên đường ống dẫn từ buồng bốc đến thiết ''' bị ngưng tụ. Theo [3], trang 296, chọn ∆ = 10C. Nhiệt độ hơi thứ trong buồng bốc tsdm( P0) ''' tsdm( P0) – tc = ∆ '''  tsdm( P0) = ∆ + tc = 1+tc Trong đó: tc : nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet tsdm( P0): nhiệt độ sôi của dung môi ở áp suất P0 (mặt thoáng). Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất tuyệt đối (at) Nhiệt độ sôi (0C) 0,2 0,3 Theo công thức nội suy, ta có: 59,7 68,7 Tại áp suất 0,25at, nhiệt độ hơi thứ trong thiết bị ngưng tụ Baromet là: 12  68,7−58,7 tc 59,7  0,3−0,2 .  0,25−0,2 64,2 0C ''' Mà tsdm( P0) = ∆ + tc = 1+tc (theo chứng minh trên)  tsdm( P0) = 64,2+1 =65,2 0C Tra bảng I.250, trang 312, [1], ta có: Nhiệt độ (0C) Áp suất (at) 65 0,2550 70 0,3177 Dùng công thức nội suy, ta tính được áp suất hơi thứ tại nhiệt độ 65,20C là: P0  0,2550   0,3177−0,2550 .  65,2−65  0,2575 at 70−65 3.3.2. Các tổn thất nhiệt độ  Tổn thất nhiệt độ do nồng độ ( ∆ ’ ) Theo công thức VI.10, trang 59, [2], ta có: ∆ ’= f . ∆ 0 ’ [0C] Trong đó: ∆ ’: tổn thất nhiệt độ tại áp suất cô đặc. ∆0 ’: tổn thất nhiệt độ ở áp suất khí quyển. f : hệ số hiệu chỉnh f = 16,2. T r 2 T: Nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở áp suất đã cho [0K]. r: ẩn nhiệt hóa hơi của dung môi nguyên chất ở áp suất làm việc [J/Kg]. Tra bảng VI.1, trang 59, [2], ta có: Nhiệt độ (0C) f 65 0,7899 70 0,8177 0 Tại tsdm = 65,2 C. Dùng công thức nội suy, ta được: 13 f  0,7899  0,8177−0,7899 .  65,2−65  0,7910 70−65 ∆0 ’=0,62 ( vì khi cô đặc có tuần Với nồng độ cuối của dung dịch là 24% thì hoàn dung dịch, thì hiệu số nhiệt độ tổn thất, tức ∆ ’, ta phải tính theo nồng độ cuối của dung dịch- Tra theo đồ thị VI.2, trang 59, [2] ).  ∆ ’= f. ∆0 ’= 0,7910. 0,62 = 0,490C Vậy tổn thất nhiệt do nồng độ ( ∆ ’ ) là 0,490C.  Tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh ( ∆ ’’ ) Áp suất thủy tĩnh: Theo công thức VI.12, trang 60, [2], ta có : h2 Ptb= P0 + (h1+ 2 ). ρdds .g Trong đó: P0: áp suất hơi thứ = 0,2575at h1: chiều cao lớp dung dịch sôi kể từ miệng trên ống truyền nhiệt đến mặt thoáng dung dịch (m). h2: chiều cao ống truyền nhiệt (m). ρdds : khối lượng riêng của dung dịch khi sôi (kg/m3). g : gia tốc trọng trường =9,81m/s2. Ta có: 1N/m2 = 1 ρdds = ρ 2 dd 1 at 9,81.104 Vì đây là quá trình cô đặc liên tục nên ρdd tra theo nồng độ trung bình của dung dịch. xtb = xđ − x x 2 = 15  24 = 19,5% 2  ρdd = 1080,65 kg/m3 ( tra bảng I.86, trang 59, [1])  ρdds =540,325 kg/m3. Chọn h1=0,5 (m). 14 h2 = 2 (m). 2 2 Ptb = 0,2575 + [(0,5+ 1 ).540,325.9,81. 9,81.104 ]= 0,3385 at. Tra bảng I.251, trang 314, [1], ta có: Áp suất (at) Nhiệt độ (0C) 0,3 68,7 0,4 75,4 Dùng công thức nội suy, ta suy ra được nhiệt độ sôi trung bình ứng với Ptb là : 75,4−68,7 . 0,3385−0,3 0,4−0,3  ttb = 68,7+  = 71,280C Theo công thức trang 296, [3], ta có: ∆” = tsdd.(Po + ∆P) – tsdd.(Po) ∆” = ttb(Ptb) – ttsdd(P0) o Theo trên, ∆’ = 0,49 C mà ∆’ = tsdd(Po) – tsdm(Po) (trang 296,[3]) tsdd(Po) = ∆’ + tsdm(Po) = 0,49 + 65,2 o = 65,69 C o ∆” = 71,28 – 65,69 = 5,59 C o Vậy tổn thất nhiệt độ do áp suất thủy tĩnh là 5,59 C.  Chênh lệch nhiệt độ hữu ích (∆thi) Tổn thất nhiệt độ: ' '' ∆ ∆  ∆  ∆ ' ''  ∆ = 0,49+5,59+1 = 7,080C Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi đốt của nồi và nhiệt độ hơi thứ khi đi vào thiết bị ngưng tụ là: o ∆tch = tD – tc =132,9 – 64,2 = 68,7 C Chênh lệch nhiêt độ hữu ích: ∆thi = ∆tch - ∑∆ = 68,7– 7,08= o 61,62 C (Các công thức lấy từ trang 67, 68, [2]). 15 3.3.3. Cân bằng nhiệt lượng  Nhiệt lượng tiêu thụ cho cô đặc (QD) Theo công thức VI-3, trang 57, [2], ta có: QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt (1) Trong đó: Qđ: nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi, W. Qbh: nhiệt lượng làm bốc hơi nước, W. Qkn: nhiệt lượng khử nước, W. Qtt: nhiệt lượng tổn thất ra môi trường, W.  Nhiệt lượng dùng để đun nóng dung dịch đến nhiệt độ sôi (Qđ) Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 57: Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ) Trong đó: Gđ = 1920 kg/h. Ctb: nhiệt dung riêng của dung dịch, J/kg.độ. Theo Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 153: Nhiệt dung riêng của dung dịch đường: C = 4190 – (2514 – 7,542.t).x, J/kg.độ o Ở t = 30 C, x = 15% thì: C1 = 4190 – (2514 – 7,542. 30).0,15  C1 = 3846,839 J/kg.độ. o Ở t = 65,3582 C, x = 15% thì: C2 = 4190 – (2514 – 7,542. 65,3582).0,15 C2 = 3886,84 J/kg.độ. Giải thích : Trong quá trình đun nóng dung dịch đén nhiệt độ sôi, khi đó dung dịch chưa bốc hơi nên nồng độ dung dịch không thay đổi và chính là nồng độ đầu của nguyên liệu và bằng 15%). 16 Ở nồng độ 15%, tra theo đồ thị hình VI-2, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, trang 60: ' ∆0 ∆ ' = 0,2 ' = f. ∆ 0 = 0,7910. 0,2= 0,15820C ' ' Mà ∆ = tsdd(P0)- tsdm(P0)  tsdd(P0)= ∆ + tsdm(P0) = 0,1582+65,2=65,3582 0C  Ctb = C1  C2 3846,839 3886,84 = = 3866,84 (J/Kg.độ) 2 2 + ts= 65,3582 0C + tđ = 30 0C Thay tất cả vào ta được: Qđ = Gđ. Ctb. (ts – tđ) = 1920.3866,84.(65,3582-30) =2,625.108 (J/h). (2)  Nhiệt lượng làm bốc hơi dung dịch (Qbh) Theo công thức VI.3, trang 57, [2], ta có: Qbh =W. r = 720. 2345,35.103 =16,887.108 (J/h) (3) Trong đó: - W: lượng hơi thứ bốc lên khi cô đặc, W = 720 kg/h - r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi thứ ứng với áp suất là 0,2575 at, J/kg Tra bảng I.251, Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 314: P (at) r.10-3 (J/kg) 0,2 2358 0,3 2336 Dùng công thức nội suy, ta suy ra được r . 10−3 0,2575 at  2358−    2358−2336 . 0,2575−0,2  2345,35 0,3−0,2  r 0,2575 at 2345,35. 103 J  kg  Nhiệt lượng dùng để khử nước ( Qkn) Theo công thức VI-4 trang 57, [2], ta có: đ Qkn Qht −Q ht c Trong đó: Qht đ : nhiệt hòa tan tích phân của chất rắn hòa tan trong dung dịch ở nồng độ loãng ban đầu của quá trình cô đặc. Qht c : nhiệt hòa tan tích phân ở nồng độ đặc lúc cuối của quá trình cô đặc. Thường thì Qkn rất bé so với các phần nhiệt còn lại nên có thể bỏ qua. (4) 17  Nhiệt lượng tổn thất (Qtt) Chọn Qtt =4% QD (5) Thế (2),(3),(4), (5) vào (1) ta được: QD = Qđ + Qbh + Qkn + Qtt = 2,625.108 +16,887.108 +0+ 0,04 QD  QD = 19,59.108 (J/h) Vậy nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc là 19,59.108 (J/h) = 544,167 KW. 3.3.4. Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc Theo công thức VI.6a, trang 57, [2], ta có: Lượng hơi đốt dùng cho cô đặc : D Q D 19,59.10 8 kg  902,35   3 r 2171. 10 h Trong đó: Q D : nhiệt lượng tiêu thụ cho quá trình cô đặc. Q D = 19,59 .108 (J/h) r : ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi đốt ở áp suất 3at, r= 2171.10 3 J/Kg ( tra bảng I.251, trang 315, [1]). 3.3.5. Lượng hơi đốt tiêu tốn riêng Theo công thức VI.7, trang 58, [2], ta có: d D 902,35  1,253 W 720  kg hơi đốt kg hơi thứ  Vậy để tạo ra 1 kg hơi thứ thì cần 1,253 kg hơi đốt. 18 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN TRUYỀN NHIỆT CHO THIẾT BỊ CÔ ĐẶC 4.1. Nhiệt tải riêng phía hơi ngưng ( q1) Theo công thức V-101, trang 28, [2]: Ta có: q 1 α1 . ∆t 1 (1)   Với : α 1 2,04. r H . ∆ t1 Trong đó: 0,25 3 r: ẩn nhiệt ngưng tụ của nước ở áp suất hơi đốt là 3 at, r = 2171.10 J/kg (tra bảng I.251,trang 315,[2]). H: chiều cao ống truyền nhiệt, chọn H = 1,5m A: phụ thuộc nhiệt độ màng nước ngưng tm Với tD, tv1: nhiệt độ hơi đốt và vách phía hơi ngưng. A: tra bảng trang 29,[2]. 2 α1: hệ số cấp nhiệt phía hơi ngưng, W/m .độ 4.2 nhiệt tải riêng phía dung dịch (q2) Dung dịch nhập liệu sau khi qua thiết bị truyền nhiệt đã đạt đến nhiệt độ sôi: quá trình cô đặc diễn ra mãnh liệt ở điều kiện sôi và tuần hoàn tự nhiên trong thiết bị, hình thành các bọt khí liên tục thoát ra khỏi dung dịch. Theo công thức VI.27, trang 71, [2]: 19